程涛，刘际轩，周国，张建昌

（舍弗勒大中华区）

【摘　要】我国海上风电市场将在未来十年内飞速发展，针对海上风电恶劣工况要求，风电主轴轴承需要更高功率密度、可靠性和使用寿命。本文主要从轴承设计、材料、表面处理以及工艺等方面阐述了对风电主轴轴承技术的现状和未来发展方向。

【关键词】海上风电；主轴轴承；轴承结构设计；材料；表面处理

1　海上风电市场和大兆瓦机组发展趋势

风能理事会（GWEC）发布的《海上风电报告2020》预测，到2030年，海上风电装机量将从现在的29.1 GW升至234 GW，亚太地区会成为Z重要的市场。《报告》称，在2020年上半年，中国海上风电新增装机容量达到亚洲海上风电新增装机容量的70%以上。《报告》预测，由于亚太地区的指数级增长和欧洲地区的持续强劲增长，届时，预计中国将超过英国，成为世界海上风电累计装机容量Z大的国家。

2　海上风电轴承技术发展现状与技术

由于海上风力发电机的特殊工况，主轴轴承需要安装在离海面数十米高的高空中, 轴承运输、安装和更换都极为不便, 且费用高昂。于此同时，海上风电轴承所处的环境非常恶劣，包括台风、空气湿度大导致腐蚀等等，因此高性能、高可靠性以及长寿命是主轴轴承必须具备的品质。目前风电主轴轴承主要依赖进口，上风电主轴轴承厂商主要有瑞典SKF、德国Schaeffler、美国Timken等，在市场占据统治地位。我国风电轴承与国外的仍有较大差距，其中主要在于材料、设计、表面处理、工艺水平和工艺装备。

2.1 海上风电主轴轴承设计

目前，风电机组中主轴轴承主要承受传动链中大部分来自于外部风作用产生的径向力、轴向力以及弯矩，将稳定的转矩传递给风电机组的高速端。因此，主轴轴承的承载能力、可靠性以及使用寿命是非常关键的指标，同时定位端主轴轴承在面对较大轴向力或轴向冲击时，其轴向刚度将决定了其在外力作用下的轴向位移，该轴向位移将对齿轮箱内部的受力稳定产生较大影响。

随着海上风电兆瓦级别的不断提高，无论是单点支撑还是双点支撑的方案布置中，在有限的空间内如何更大程度提高承载能力，提高可靠性和寿命成为很大的困难，与此同时伴随着单向偏载以及系统振动、润滑条件不足等阻碍。

目前已装机的风力发电机中，大多数采用主轴轴承支撑结构，其主轴轴承一般分为两点支撑和三点支撑的布置形式[1]。

2.1.1 主轴用调心滚子轴承技术方案：

采用定位端加浮动端调心滚子轴承轴承的两点支撑形式是Z典型的一种布置形式，在其中定位端轴承扮演着重要角色，既要满足对径向、轴向载荷的主要承载需求，具有一定的调心性能（通常要求大于0.3°），还要求在低成本的要求下能够稳定运行20年。已有技术方案如下：

1）内部结构优化

目前大尺寸调心滚子轴承已有结构如图2所示，根据中隔圈的结构形式可分为固定中隔圈，浮动中隔圈和无中隔圈设计。相对于浮动中隔圈和无中隔圈的设计，固定中隔圈可以有效增加轴向刚度，降低在轴向力影响下的轴向移动距离，从而有效减少轴向力对齿轮箱的影响。同时固定中隔圈可以有效限制滚动体在移动时的摆动角度。而无中隔圈的设计的优势在于可以更充分地利用内部空间从而设计更大的滚动体和接触角，增加其轴向承载能力。

2）进一步提高滚子轴承额定动载荷系数bm值

根据ISO281中定义bm值为“当代常用材料与加工质量的额定动载荷系数”[2]，用于计算基本额定动载荷。对于bm值，由于材料的冶炼方式和轴承制造水平的差异，通常不同厂家会在测试验证或经验的基础上提供出来。对于调心滚子轴承，在ISO 281中定义精炼钢（真空脱气钢）约为1.0～1.15，电渣重熔钢（高级精炼钢）约为1.2～1.5。

对于大尺寸轴承产品，随着材料冶炼方式和生产制造水平的提高，目前更高纯度的轴承钢以及套圈、滚动体的超精工艺的使用，很大程度提高了轴承各个零部件的表面和内部质量，改善了摩擦状态，使得bm系数的提高成为可能，从而一定程度上增加了轴承整体承载能力和使用寿命。

3）压缩游隙控制区间

轴承游隙对轴承的寿命和可靠性都有较大影响。轴承游隙过大, 会导致轴承在运行时承载的滚子总体数量减少, 加剧滚子点蚀磨损；游隙过小,会导致轴承易产生摩擦发热, 温度升高,油膜破坏，严重时甚至造成轴承卡死。

由于标准游隙组别控制游隙范围较大，尤其是对于风电用大型轴承，往往单个标准游隙组别会达到0.2mm以上，而轴向游隙则1mm以上，这对可靠性要求很高的风电应用来说范围太大，容易因为工作游隙不理想导致提前失效，同时游隙的范围大还会对调心滚子轴承的调